清華大學(xué)成功研制全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”

2025-10-16 來源：電子工程專輯

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“玉衡”之名源自《尚書·舜典》“在璿璣玉衡，以齊七政”，古人以此校定日月星辰運(yùn)行秩序，今人則以同名之芯，校衡光的頻譜與宇宙的奧秘。

“玉衡”光譜成像芯片概念圖

10月16日消息，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域取得重大突破，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。這一成果標(biāo)志著我國智能光子技術(shù)在高精度成像測量領(lǐng)域達(dá)到了新的高度，相關(guān)研究成果已在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature），題為《集成鈮酸鋰光子學(xué)亞埃米級快照光譜成像》（Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy）。

突破傳統(tǒng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)技術(shù)飛躍

長期以來，傳統(tǒng)光譜測量受限于物理分光采集與固化結(jié)構(gòu)，光譜分辨率與成像通量之間存在難以兼顧的固有矛盾，成為光譜成像領(lǐng)域的長期技術(shù)瓶頸。

為破解這一難題，方璐教授團(tuán)隊(duì)基于智能光子原理，創(chuàng)新性地提出了“可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)”，將傳統(tǒng)物理分光的限制轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾诱{(diào)制與計(jì)算重建的過程。通過深入研究隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算，最終成功研制出“玉衡”芯片。

可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)（圖自清華大學(xué)）

“玉衡”芯片體積小巧，尺寸僅為約2厘米×2厘米×0.5厘米，卻能在400—1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)亞埃米級光譜分辨率和千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。該芯片能夠在單次快照中同步獲取全光譜與全空間信息，其快照光譜成像的分辨能力（R=12,000）較以往提升了兩個(gè)數(shù)量級，成功突破了光譜分辨率與成像通量無法兼得的長期瓶頸。

應(yīng)用前景廣闊，推動多領(lǐng)域發(fā)展

方璐教授表示，“玉衡”芯片攻克了光譜成像系統(tǒng)在分辨率、效率與集成度方面的難題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在天文觀測領(lǐng)域，“玉衡”的快照式成像每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以內(nèi)。憑借其微型化設(shè)計(jì)，“玉衡”還可搭載于衛(wèi)星，有望在數(shù)年內(nèi)繪制出人類前所未有的宇宙光譜圖景，為暗物質(zhì)、黑洞等基礎(chǔ)物理前沿研究提供全新視野。

此外，“玉衡”芯片還可應(yīng)用于機(jī)器智能、機(jī)載遙感等多個(gè)領(lǐng)域。在機(jī)器智能領(lǐng)域，高分辨率的光譜成像能夠?yàn)槲矬w識別、場景理解等任務(wù)提供更豐富的信息；在機(jī)載遙感領(lǐng)域，“玉衡”芯片則能夠?qū)崿F(xiàn)對地表的高精度、高效率光譜成像，為環(huán)境監(jiān)測、資源勘探等提供有力支持。

科研團(tuán)隊(duì)不懈努力，創(chuàng)新成果獲國際認(rèn)可

方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域的研究由來已久，此次“玉衡”芯片的成功研制是團(tuán)隊(duì)多年努力的結(jié)晶。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目及科學(xué)探索獎(jiǎng)的支持，完成單位為清華大學(xué)電子工程系與北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心。方璐教授為通訊作者，北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心姚志陽博士為第一作者。

國際學(xué)術(shù)界對“玉衡”芯片的研制成功給予了高度評價(jià)。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》期刊，標(biāo)志著我國智能光子技術(shù)在國際舞臺上占據(jù)了重要地位。

隨著“玉衡”芯片的研制成功，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化研究，推動智能光子技術(shù)的持續(xù)革新。團(tuán)隊(duì)正基于原理樣片，加速工程化樣機(jī)與系統(tǒng)級優(yōu)化，并計(jì)劃在10.4米口徑加那利大型望遠(yuǎn)鏡（GTC）上進(jìn)行測試應(yīng)用。